純電動(dòng)輕型客車高集成度動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

汪 帆, 王坤俊, 周 歡, 諶九龍, 劉冬福

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

本文在某直驅(qū)結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)輕客原型車基礎(chǔ)上,分析其高壓架構(gòu),通過重新選型匹配,提出一種低成本、高集成度的動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)方案。該方案不僅能降低整車成本、提升集成度,同時(shí)也能滿足經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性設(shè)計(jì)指標(biāo),達(dá)到降本增效的目的。

1 原型車方案缺點(diǎn)分析

原型車總質(zhì)量為4.5 t,儲(chǔ)能系統(tǒng)采用81.14 kW·h磷酸鐵鋰電池,整車的高壓系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 原型車高壓動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

其中主驅(qū)系統(tǒng)由大扭矩直驅(qū)電機(jī)(額定功率65 kW,峰值功率120 kW)和單電機(jī)控制器組成,輔驅(qū)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用高壓電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),高壓配電功能由儲(chǔ)能系統(tǒng)自帶的電池高壓盒與多合一控制器組成。

該方案主要缺點(diǎn)如下：

1) 主驅(qū)系統(tǒng)采用大扭矩直驅(qū)電機(jī)導(dǎo)致成本高[1]。同功率性能的情況下,高速化能讓電機(jī)變小,且成本更低。以適用于4.5 t輕客車的120 kW電機(jī)為例,大扭矩直驅(qū)電機(jī)每臺(tái)成本在8 000元左右,而目前高速電機(jī)加單減速器組合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本可控制在6 000元以內(nèi),成本相較于大扭矩直驅(qū)電機(jī)可降低25%;此外,高速單減系統(tǒng)還有體積小,利于整車布置;重量低,利于整車輕量化的優(yōu)勢[2]。

2) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用EHPS高壓液壓助力轉(zhuǎn)向方案導(dǎo)致功耗比乘用車行業(yè)成熟應(yīng)用的EPS(電動(dòng)轉(zhuǎn)向)大,且含有液壓油等潛在污染物。在商用車電動(dòng)化和智能化的發(fā)展趨勢下,市場對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了新要求,如節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、安全舒適、隨速助力等[3]。目前的EHPS方案逐漸無法滿足市場需求,需采用EPS等新的技術(shù)方案。

3) 高壓動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)集成化程度低導(dǎo)致系統(tǒng)成本高,效率低。原型車高壓動(dòng)力系統(tǒng)核心模塊有電池高壓盒、輔驅(qū)控制器和電機(jī)控制器等多個(gè)零部件,結(jié)構(gòu)較零散,集成度較低,其成本比集成式高很多。此外,系統(tǒng)集成度低,零部件多還導(dǎo)致整個(gè)高壓動(dòng)力系統(tǒng)總體體積大、重量高、接口復(fù)雜,系統(tǒng)效率低。

2 對(duì)原型車方案的改進(jìn)

2.1 主驅(qū)系統(tǒng)高速化與集成化

改進(jìn)方案采用高轉(zhuǎn)速小扭矩電機(jī)+減速器[4],同時(shí)集成電機(jī)控制器的“三合一”驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)替代原有的大扭矩直驅(qū)系統(tǒng),以主驅(qū)系統(tǒng)高速化[5]與集成化的改進(jìn)方式在技術(shù)方案上實(shí)現(xiàn)降本[6]。

2.1.1 主驅(qū)系統(tǒng)改進(jìn)方案功率匹配計(jì)算

根據(jù)汽車?yán)碚?分別計(jì)算加速時(shí)的最大功率Pa,最大爬坡度時(shí)的最大功率Pα,最高車速時(shí)的最大功率Pv[7],然后確定主驅(qū)系統(tǒng)最大功率Pmax。具體公式如下：

(1)

(2)

(3)

Pmax=max(Pa,Pα,Pv)

(4)

式中：vk為車速;σ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);m為整車質(zhì)量;a為瞬時(shí)加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);Cd為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;vi為爬坡車速;αmax為最大爬坡度;vmax為最高車速。

通過計(jì)算得出Pmax至少為86 kW,額定功率至少為Pmax/2=43 kW。

2.1.2 主驅(qū)系統(tǒng)改進(jìn)方案最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速計(jì)算

由汽車?yán)碚摽芍?最大轉(zhuǎn)矩Tmax由最大爬坡度確定,計(jì)算公式如下[8]：

(5)

式中：r為滾動(dòng)半徑;i為主減速比。

最高轉(zhuǎn)速nmax由最高車速vmax確定：

nmax=vmax×i/(0.377r)

(6)

通過計(jì)算可知,Tmax不低于855 N·m,nmax不低于3 537 r/min。

考慮過載系數(shù)[9]、結(jié)合體系資源成熟度及競品同類車型產(chǎn)品配置信息,最終選定的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率參數(shù)見表1。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)表

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改為電動(dòng)轉(zhuǎn)向

新能源汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展已逐步朝無人駕駛演進(jìn),其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將朝線控轉(zhuǎn)向發(fā)展。而輕型商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前正在向低壓電動(dòng)轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)過渡[10]。EPS系統(tǒng)相對(duì)EHPS有以下優(yōu)點(diǎn)：①能耗降低3%左右;②零件減少,減少轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配的時(shí)間和故障點(diǎn);③因高壓輔驅(qū)系統(tǒng)減少DC/AC模塊,故轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成本更低[11]。EPS也有缺點(diǎn)：①系統(tǒng)整體輸出扭矩偏小,暫不適用于大噸位的商用車;②由于EPS電機(jī)一般集成在方向機(jī)上,位置相對(duì)固定,相對(duì)EHPS電機(jī)布置缺乏一定靈活性,對(duì)整車布置和系統(tǒng)電磁兼容要求更高。

基于上述EPS的優(yōu)點(diǎn),故本文轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)方案為EPS替代原有的EHPS。

整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向輸出力矩TG經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

(7)

式中：μ為輪胎與路面摩擦系數(shù);G為前軸載荷;P為前軸輪胎氣壓;iw為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比;η1為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)械效率。

通過計(jì)算得出,整體式轉(zhuǎn)向輸出力矩TG在1 347 N·m左右,根據(jù)現(xiàn)有供應(yīng)商資源,最后選取最大輸出扭矩為1 500 N·m的低壓EPS。其主要參數(shù)如下：最大輸出力矩1 500 N·m,電機(jī)電壓24 V,電機(jī)額定功率850 W。

2.3 高集成度高壓架構(gòu)制定

提高高壓架構(gòu)的集成度從兩方面著手：一是上述主驅(qū)系統(tǒng)將電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器進(jìn)行集成;二是將儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓接線盒和整車高壓PDU模塊集成[12]。

改進(jìn)后的動(dòng)力系統(tǒng)高壓架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)方案動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

按改進(jìn)后的動(dòng)力系統(tǒng)高壓框圖架構(gòu),結(jié)合上述主驅(qū)系統(tǒng)、輔驅(qū)系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì),高壓輔控總成主要模塊及參數(shù)確定如下：

1) BMS高壓控制集成模塊。包括高壓接觸器控制、主回路電壓電流采集、絕緣檢測、單支路直流快充接口功能等。其中BMS高壓配電,仍采用原車型的81.14 kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)方案,額定電壓540 V,電壓范圍為400～700 V;額定持續(xù)充放電150 A,60 s最大允許放電及回饋電流300 A。

2) 四路直流PDU模塊,含三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流配電、電空調(diào)直流配電及電除霜電加熱直流配電的直流高壓配電功能。

3) 一路DC/DC模塊與原型車一致,仍為低壓24 V平臺(tái),額定3 kW,最大3.6 kW。

3 改進(jìn)方案成本及性能評(píng)估

3.1 高壓系統(tǒng)成本對(duì)比

高壓動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)方案的各項(xiàng)成本都有所降低(具體見表2),總計(jì)降本7 000元。

表2 改進(jìn)方案相較原方案的成本降低

3.2 整車系統(tǒng)性能校核

改進(jìn)方案和原方案在整車上應(yīng)用的仿真結(jié)果對(duì)比見表3。從表3可知,改進(jìn)方案完全滿足設(shè)計(jì)要求;相比原方案,改進(jìn)方案在動(dòng)力性方面(爬坡度和加速度)提升明顯,在經(jīng)濟(jì)性方面變化不大。

表3 整車性能仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以某電動(dòng)輕型客車基礎(chǔ)車型為例,對(duì)其高壓架構(gòu)進(jìn)行集成化規(guī)劃制定,重新匹配選型動(dòng)力系統(tǒng);動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)方案相較原型車降本明顯,同時(shí)經(jīng)仿真分析,改進(jìn)方案的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了降本增效的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文對(duì)輕型商用車高壓架構(gòu)規(guī)劃及動(dòng)力系統(tǒng)選型匹配有一定參考價(jià)值。